Qual é a maior densidade teórica de energia para uma bateria química?

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Esta é mais uma questão de física / química / nanotecnologia, mas qual é a melhor densidade de energia teórica que você poderia obter de uma bateria química (ou célula de combustível), se pudesse arranjar átomos da maneira que desejasse? Estou pensando nas baterias nanotecnológicas descritas em Diamond Age . Como ele se compara às tecnologias atuais?

Trata-se especificamente de baterias químicas , que podem ser construídas átomo a átomo no estado carregado, não nuclear, antimatéria, CAM ou outras tecnologias mais exóticas.

energy storage battery-chemistry

— endólito
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dependendo de quão teórico você queira ser, uma bateria anti-materia seria a mais alta teórica que eu acredito que quando reage com a materia, você obtém uma conversão perfeita ou quase perfeita de massa em energia.

— Mark

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As reações antimatéria-matéria contam como reações químicas?

— endolith

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@ sybreon: Disciplinas organizadas pela pureza.

— Nick T

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Embora fechado como uma duplicata desta pergunta, existe um limite para o número de quilowatts-hora que uma bateria AAA (ou AA) pode suportar? tem respostas (como esta falando sobre densidade de energia relacionada ao volume, e não ao peso, nas quais essas respostas parecem se concentrar.

— 6607 Mark Booth

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Pelo que entendi, a bateria de vanádio-boreto-ar tem uma densidade de energia teórica da ordem de 27kwh / litro, esqueço o que resultou em kwh / kg, mas a gasolina é apenas ~ 10kwh / L. Não é recarregável, tanto quanto eu sei. 27kwh / L superam as calças para obter o máximo de energia no espaço mínimo. Em termos de peso (kwh / kg), acho que o vencedor é Lithium-Air.

— Sam

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Não sei a resposta real a esta pergunta, mas conheço um limite mínimo superior à resposta e um meio de descobrir a resposta real.

Os cientistas da bateria têm uma métrica chamada energia teórica específica máxima; você pode ler sobre a definição em Baterias avançadas de Robert Huggins . No momento, as baterias com maior densidade de energia que você pode comprar são íons de lítio, que estão na faixa de 100-200 Wh / kg. Não sei qual é a melhor bateria, mas mais adiante neste livro , Huggins mostra cálculos que indicam que as células Li / CuCl ₂ têm um MTSE de 1166,4 Wh / kg. (5x a capacidade das baterias atuais!)

Sabemos que o MTSE mais alto é pelo menos 1166,4 Wh / kg; você pode usar o método dele para calcular o mesmo valor para outras químicas, mas o espaço de pesquisa é bastante grande.

Também vi referências na Internet a baterias de Li / O ₂ e Al / O ₂ com MTSE de 2815 e 5200 Wh / kg, respectivamente. Não tenho certeza de quão credíveis são essas referências. Referências posteriores, como este artigo de 2008 no Journal of the Electrochemical Society, sugerem que o MTSE para uma célula de Li / O ₂ é de cerca de 1400 Wh / kg.

— pingswept
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Parece que as baterias que respiram ar estão enganando o cálculo da densidade de energia usando algo fora da bateria para ajudar a armazenar energia (O2 no ar) sem contá-la em massa? Eles se tornam mais análogos ao motor de um carro do que ao tanque de combustível.

— Matt B.

@MattB .: Sim, é meio que trapaça, mas meio que não. Fico feliz que tenha sido mencionado como eu não tinha pensado nisso.

— endolith

"Dos vários pares químicos de baterias metal-ar (Tabela 1), a bateria Li-air é a mais atraente, já que a reação de descarga celular entre Li e oxigênio para produzir Li2O, de acordo com 4Li + O2 → 2Li2O, possui um circuito aberto tensão de 2,91 V e uma energia teórica específica de 5210 Wh / kg. Na prática, o oxigênio não é armazenado na bateria, e a energia teórica específica, excluindo oxigênio, é 11140 Wh / kg (40,1 MJ / kg). Compare isso com a figura 44 MJ / kg para a gasolina (ver o teor de energia da gasolina). " en.wikipedia.org/wiki/Lithium_air_battery

— endolith 24/08

A ligação superior é possível se você tiver uma célula pequena, mas muito combustível.

— user3528438

Lembre-se também do funcionamento da primeira célula de combustível, o combustível mais fácil e de maior densidade para células de combustível até hoje.

— user3528438

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Se queremos ampliar a "bateria" para significar algum tipo de dispositivo que gera eletricidade com base em uma reação química (por meios mágicos ), o limite superior de 100% de eficiência seria a entalpia química da reação.

Cálculos para uma bateria teórica "açúcar + ar":

Entalpia padrão de combustão de glicose: -2805 kJ / mol (acho que esse é um atalho além da decomposição em elementos padrão?)
2805 kJ / mol / 180 g / mol = 4328 W · h / kg

Não sabe ao certo qual é o composto mais denso quimicamente, mas você pode conectá-lo a isso.

As células nucleares podem ser ainda mais mágicas, E = mc²:

1 kg × c² = 2,5 × 10 ** 13 W · h

— Nick T
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Essas outras químicas teriam que ser mágicas porque não empurram elétrons diretamente através do metal?

— endolith

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Principalmente porque eles não são células eletroquímicas, então a energia para a conversão de energia elétrica teria de acontecer alguma outra maneira (por exemplo, usinas de energia ou planta plantas .)

— Nick T

Açúcar + Ar? Por que não, digamos, C4 + air?

— Kevin Vermeer

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C4 (ou TNT de qualquer maneira) é menos denso em energia que o açúcar. en.wikipedia.org/wiki/Energy_density

— Matt B.

ou carbono-ar, com menos hidrogênio envolvido. Usar diamante como carbono? Diamante C12 puro, para baixo peso? :)

— wbeaty

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As baterias de lítio / enxofre de última geração são de cerca de 350 Wh / kg. E, portanto, não unobtainium como muitas das químicas listadas.

Aqui estão algumas informações detalhadas: https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium-sulfur_battery

— Glenn
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Sem matemática? Nenhuma citação?

— Bort

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@ Glenn O sistema de marcação parece ter danificado o seu link. Você gostaria de tentar de novo? De preferência, edite-o em sua resposta.

— AaronD 29/06

Feito. Por favor me perdoe. Eu sou novo neste fórum.

— Glenn

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as células de combustível terão densidades de energia térmica mais altas que as baterias, mas densidades de energia mais baixas. por outro lado, os capacitores terão densidades de energia mais altas, mas densidades de energia mais baixas.

Considere esses valores teóricos

densidade de energia = tensão x capacidade

densidade de potência = tensão x corrente

capacidade = faraday const x # elétrons transferidos (ex: 1 para baterias de íon de lítio) x 1 / MW

corrente depende da capacidade e da taxa de descarga. Por exemplo, a uma taxa C / 2, você descarregará totalmente em 2 horas; portanto, se a capacidade total for 100 mAh / g, a corrente será de 50 mA por 1g. Vamos dizer que temos uma bateria de 2V, então a potência será de 100 mW por 1g. (também a densidade de energia desta bateria seria 200 mWh / g)

tensão = E0cathode - E0anode, E0 = - delta G (como na energia de Gibbs livre) / (#charges x Faraday const)

no caso mais prevalente em que há redução de um íon metálico no ânodo (íon de lítio incluído) E0anodo é o potencial de redução do metal, veja aqui: http://en.wikipedia.org/wiki/Standard_electrode_potential_%28data_page% 29

por exemplo: Li + + e− está em equilíbrio com Li (s) E0 = -3,0401 V

— guywithaquestion
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